Nieuwe robot stimuleert onderzoek naar zonne-energie
door Staff Writers
Raleigh NC (SPX) 27 juli 2023
Onderzoekers hebben een robot gemaakt die experimenten efficiënter en duurzamer kan uitvoeren om een reeks nieuwe halfgeleidermaterialen met gewenste eigenschappen te ontwikkelen. De onderzoekers hebben al aangetoond dat de nieuwe technologie, RoboMapper genaamd, snel nieuwe perovskietmaterialen kan identificeren met verbeterde stabiliteit en zonnecelefficiëntie.
“Met RoboMapper kunnen we materiaaltesten sneller uitvoeren, terwijl we zowel de kosten als de energieoverhead verminderen – waardoor het hele proces duurzamer wordt”, zegt Aram Amassian, corresponderend auteur van een artikel over het werk en hoogleraar materiaalkunde en techniek bij North Carolina Staatsuniversiteit.
Bij conventioneel materiaalonderzoek moet een onderzoeker een monster voorbereiden en vervolgens meerdere stappen doorlopen om elk monster met verschillende instrumenten te testen. Dit omvat het plaatsen, uitlijnen en kalibreren van monsters als dat nodig is om de gegevens te verzamelen. Zie het als een lopende band die zowel tijdrovend is als veel elektriciteit vereist om de relevante instrumenten van stroom te voorzien.
Eerdere pogingen om dit proces te automatiseren waren grotendeels afhankelijk van het automatiseren van de assemblagelijn, waarbij één monster per chip het hele gegevensverzamelingsproces doorliep. Dit verbetert de snelheid, maar elke stap moet nog steeds met één monster tegelijk worden uitgevoerd.
“RoboMapper automatiseert dit proces ook, maar plaatst tientallen monsters op elke chip door de materiaalmonsters te miniaturiseren met behulp van modern printen”, zegt Amassian. “Het voert nog steeds elke stap van het gegevensverzamelingsproces uit, maar doet dit voor meerdere materialen tegelijk, waardoor tijd en energie worden bespaard.”
“Dit maakt het zoeken naar nieuwe materialen veel efficiënter, kosteneffectiever en duurzamer in termen van onze ecologische voetafdruk”, zegt Tonghui Wang, hoofdauteur van het artikel en gepromoveerd. student aan NC State. “Het is bijna tien keer sneller dan eerdere geautomatiseerde technieken.”
Om dit te bevestigen evalueerde het team de milieu-impact van traditioneel materiaalonderzoek en gegevensverzameling en vergeleek het met de RoboMapper.
“Het was opmerkelijk om te ontdekken dat karakterisering de belangrijkste bron is van de uitstoot van broeikasgassen in materiaalonderzoek”, zegt milieu-econoom Lucia Serrano-Lujan, co-auteur van het artikel en onderzoeker aan de Rey Juan Carlos Universiteit en de Technische Universiteit van Cartagena. “Het vermogen van de RoboMapper om het gegevensverzamelingsproces te stroomlijnen door tientallen materialen op dezelfde chip te plaatsen, verminderde de uitstoot van broeikasgassen met een factor tien.”
Om het nut van RoboMapper aan te tonen, concentreerden de onderzoekers zich eerst op perovskietmaterialen. Perovskieten, die worden gedefinieerd door hun kristallijne structuur, zijn beter dan silicium in het absorberen van licht. Dat betekent dat perovskiet-zonnecellen dunner en lichter kunnen zijn dan siliciumzonnecellen zonder dat dit ten koste gaat van het vermogen van de cel om licht in elektriciteit om te zetten – waardoor ze een centraal punt worden voor onderzoek naar zonnetechnologieën van de volgende generatie.
De onderzoekers concentreerden zich specifiek op de stabiliteit van perovskiet, wat een van de grootste uitdagingen in het veld is.
“De uitdaging is eigenlijk dat perovskietmaterialen de neiging hebben om af te breken als ze worden blootgesteld aan licht, waardoor de eigenschappen verloren gaan die ze in de eerste plaats wenselijk maakten”, zegt Amassian. “We zoeken naar manieren om deze materialen zo te ontwikkelen dat ze stabiel zijn – wat betekent dat ze hun gewenste eigenschappen lang behouden, zelfs als ze aan licht worden blootgesteld.”
En de onderzoekers hadden hun eerste belangrijke ontdekking met RoboMapper tijdens de proof-of-concept-demonstratie van de technologie.
De onderzoekers gaven RoboMapper de opdracht om legeringen te maken met behulp van een gedefinieerde reeks elementen. RoboMapper maakte vervolgens monsters met 150 verschillende legeringssamenstellingen en voerde optische spectroscopie en structurele röntgenonderzoeken en stabiliteitstests uit op die monsters.
De tests van RoboMapper waren bedoeld om vast te stellen of een legering geschikt was voor tandemzonnecellen, wat betekent: of deze de kristallijne structuur van een perovskiet had; of het een wenselijke reeks optische kenmerken had, bekend als de bandafstand; en of het stabiel was bij blootstelling aan intens licht. Deze experimentele gegevens werden vervolgens gebruikt om een computermodel te construeren dat een specifieke legeringssamenstelling identificeerde waarvan werd voorspeld dat deze de beste combinatie van gewenste eigenschappen zou hebben.
De onderzoekers maakten vervolgens de gewenste legering met RoboMapper en met behulp van conventionele laboratoriumtechnieken, en testten beide.
“We zijn in staat om snel de meest stabiele samenstelling te identificeren uit een mogelijke reeks perovskietlegeringen bij een beoogde bandafstand, met behulp van de specifieke reeks elementen waartoe we ons hebben beperkt voor dit proof-of-concept-werk”, zegt Amassian. “Het materiaal dat we met RoboMapper hebben geïdentificeerd, bleek ook efficiënter in het omzetten van licht in elektriciteit in zonnecelapparaten. Onze conventionele technieken valideerden de resultaten van RoboMapper.
“Eén reden waarom de experimenten van RoboMapper zulke nuttige gegevens konden opleveren, is dat de specifieke reeks experimenten die we hebben gebruikt gebaseerd is op eerder werk dat ons inzicht verschaft in de relatie tussen wat we kunnen waarnemen in optische tests en de stabiliteit van perovskietmaterialen.
“De volgende stappen voor dit werk zijn onder meer het uitbreiden van het scala aan potentiële legeringen voor testen in RoboMapper”, zegt Amassian. “We staan open voor samenwerking met industriële partners om nieuwe materialen voor fotovoltaïsche zonne-energie of andere toepassingen te identificeren. En met steun van het Office of Naval Research gebruiken we RoboMapper al om ons begrip van materialen voor zowel organische zonnecellen als gedrukte elektronica te vergroten.
Het artikel, “Sustainable Materials Acceleration Platform Reveals Stable and Efficient Wide Bandgap Metal Halide Perovskite Alloys”, zal op 25 juli worden gepubliceerd in het tijdschrift Matter. Co-auteurs van de studie zijn onder meer Hossein Ardekani en Robert Epps, voormalig Ph.D. studenten aan NC State; Jiantao Wang en Mahdi Ramezani, voormalige postdoctorale onderzoekers bij NC State; Ryan Wilmington, Kasra Darabi en Boyu Guo, Ph.D. studenten aan NC State; Mihirsinh Chauhan, een postdoctoraal onderzoeker bij NC State; Dali Sun, universitair hoofddocent natuurkunde bij NC State; Milad Abolhasani, hoogleraar chemische en biomoleculaire technologie bij NC State; Kenan Gundogdu, hoogleraar natuurkunde aan NC State; en Ruipeng Li van het Brookhaven National Laboratory.
Tien van de auteurs van het artikel maken deel uit van de ORganic and Carbon Electronics Laboratories (ORaCEL) groep bij NC State, een interdisciplinair team van onderzoekers dat zich richt op het versnellen van de ontwikkeling van nieuwe halfgeleidermaterialen voor een breed scala aan toepassingen.
Onderzoeksrapport:Platform voor versnelling van duurzame materialen onthult stabiele en efficiënte metaalhalide-perovskietlegeringen met brede bandbreedte
Gerelateerde Links
North Carolina State University
Alles over zonne-energie op SolarDaily.com
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. Automotive / EV's, carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- BlockOffsets. Eigendom voor milieucompensatie moderniseren. Toegang hier.
- Bron: https://www.solardaily.com/reports/New_robot_boosts_solar_energy_research_999.html
